基于FPGA的多DSP紅外實(shí)時(shí)圖像處理系統(tǒng)設(shè)計(jì)

O 引言

　　隨著紅外探測(cè)技術(shù)迅猛的發(fā)展，當(dāng)今紅外實(shí)時(shí)圖像處理系統(tǒng)所要處理的數(shù)據(jù)量越來(lái)越大，速度要求也越來(lái)越快，利用目前主流的單DSP+ FPGA硬件架構(gòu)進(jìn)行較為復(fù)雜的圖像處理算法運(yùn)算時(shí)，有時(shí)就顯得有些捉襟見(jiàn)肘了。使用多信號(hào)處理板雖可滿足復(fù)雜處理的要求，但系統(tǒng)成本和設(shè)計(jì)復(fù)雜度會(huì)大大增加，對(duì)于對(duì)空間質(zhì)量有嚴(yán)格要求的系統(tǒng)也是不可行的，多處理器系統(tǒng)應(yīng)用的需求越來(lái)越迫切。

　　本文提出了一種新型的基于FPGA和四端口存儲(chǔ)器的三DSP圖像處理系統(tǒng)。它不同于以往的主從處理器結(jié)構(gòu)，而是3個(gè)處理器分別連接四端口存儲(chǔ)器的3個(gè)端口，處于同等地位，對(duì)圖像數(shù)據(jù)并行處理，FPGA占用存儲(chǔ)器另一端口進(jìn)行數(shù)據(jù)流的控制管理和其他功能實(shí)現(xiàn)。這種連接方式增強(qiáng)了系統(tǒng)的重組性和擴(kuò)展行，軟件開(kāi)發(fā)也更加靈活方便。

1 系統(tǒng)硬件結(jié)構(gòu)

　　1．1 圖像處理系統(tǒng)的組成

　　圖像處理系統(tǒng)主要包括DSP及其周邊電路，F(xiàn)PGA電路，四端口存儲(chǔ)器電路、顯示電路、HotLink接口電路等。圖1所示為圖像處理系統(tǒng)的原理框圖。

　　1．2 FPGA電路設(shè)計(jì)

　　FPGA芯片使用Xilinx公司Virtex-4系列的SX35芯片。virtex4系列的FPGA利用90 nm三柵極氧化層技術(shù)制造而成，具有百萬(wàn)門(mén)級(jí)以上的邏輯資源，大容量片內(nèi)Block RAM，用于高速數(shù)字信號(hào)處理的新型XtremeDSP，靈活的數(shù)據(jù)接口，軟硬件嵌入式處理器核等諸多資源。與前一代器件相比，在其性能和密度加倍的同時(shí)功耗卻減半，非常適合用于大規(guī)模SoPC系統(tǒng)。配置芯片使用XCF32P芯片。在FPGA外圍連接了D/A視頻芯片，HoTLINK傳輸芯片，SDRAM存儲(chǔ)器等器件，用以完成顯示、存儲(chǔ)等功能。

　　1．2．1 與HotLink電路接口

　　HotLink是點(diǎn)對(duì)點(diǎn)物理層器件(PHY)的世界領(lǐng)先供應(yīng)商Cypress導(dǎo)體公司產(chǎn)品，高集成度HotLink收發(fā)器是市面上銷(xiāo)售的同類(lèi)產(chǎn)品中靈活性最強(qiáng)的芯片之一，它提供了很寬的工作范圍(0．2～1．5Gb/s)、可旁路8 B/10 B編碼和備用輸出。每款HotLink獨(dú)立通道器件都在一個(gè)單片解決方案中集成了發(fā)送、接收、先入先出(FIFO)和編碼器/解碼器(ENDEC)功能，為用戶提供了穩(wěn)定性和通用性最好的高速圖像數(shù)據(jù)傳輸解決方案。在此選用CY7B923作為發(fā)送芯片，將采集到的圖像數(shù)據(jù)通過(guò)HotLink接口發(fā)送到圖像記錄設(shè)備進(jìn)行記錄。

　　1．2．2 擴(kuò)展存儲(chǔ)器接口

　　FPGA外接SDRAM做為外擴(kuò)存儲(chǔ)器。SDRAM芯片選用HY57V561620，該芯片為16位的SDRAM，工作頻率為100 MHz。SDRAM工作狀態(tài)轉(zhuǎn)換圖如下：

　　1．2．3 與視頻顯示電路接口

　　顯示電路中選用的數(shù)/模轉(zhuǎn)換芯片為ADI公司的ADV7122芯片，該芯片為三通道10 b的視頻數(shù)/模轉(zhuǎn)換芯片。

　　1．3 四端口存儲(chǔ)器電路設(shè)計(jì)

　　四端口存儲(chǔ)器使用IDT公司的IDT70V5388芯片。該芯片為64K×18 b的同步四端口存儲(chǔ)器，4個(gè)端口可同時(shí)對(duì)存儲(chǔ)器的任何地址進(jìn)行操作，每個(gè)端口的最大輸出速率為200 MHz，因此4個(gè)端口總的數(shù)據(jù)帶寬為14 Gb/s。

　　存儲(chǔ)器每個(gè)端口都設(shè)置有郵箱中斷功能，這一功能能夠很好地實(shí)現(xiàn)與各個(gè)端口相連器件的相互通信。選擇郵箱中斷功能后，每個(gè)端口給分配一個(gè)郵箱，當(dāng)某一端口向其他端口的郵箱寫(xiě)入數(shù)據(jù)時(shí)，該端口將會(huì)產(chǎn)生郵箱中斷。PORT1向PORT2的郵箱地址(0xFFFE)進(jìn)行寫(xiě)操作，PORT2將產(chǎn)生郵箱中斷，PORT2對(duì)該郵箱地址進(jìn)行讀操作之后清除郵箱中斷。

　　1．4 DSP電路設(shè)計(jì)

　　DSP芯片選用Ti公司的TMS32C6414 EGLZA6E3，其主頻為600 MHz。TMS320C6414是TI公司高性能的定點(diǎn)DSP。該芯片采用超長(zhǎng)指令字結(jié)構(gòu)(VLIW)，每個(gè)時(shí)鐘周期可以執(zhí)行8個(gè)32位指令。